電沉積—熱氧化制備具有微-納米針的條紋形貌ZnO薄膜及其光催化性能.pdf

1、本文以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為添加劑，在304不銹鋼基底上，硫酸鋅-氯化銨體系中用0.03 A·cm-2恒電流陰極沉積得到條紋狀的金屬Zn膜。通過(guò)XRD、SEM主要研究了添加劑PVP濃度、沉積時(shí)間、Zn2+濃度及電流密度對(duì)沉積Zn膜形貌、結(jié)構(gòu)和成分的影響，初步探討了沉積金屬Zn膜條紋形貌的形成機(jī)理。在空氣氛下，Zn膜于馬弗爐中熱氧化，研究了不同煅燒溫度、氧化時(shí)間及煅燒方式對(duì)ZnO薄膜的條紋微/納米針形貌、結(jié)構(gòu)及光催化性能的影響。具體研

2、究工作如下:
　　1.條紋Zn膜的形成及機(jī)理探討
　　a)以304不銹鋼片為基底，在0.05 mol·dm-3 ZnSO4、2 mol·dm-3 NH4Cl溶液組成的基本鍍液中，加入質(zhì)量濃度為0.001-1％ PVP，以0.03 A/cm2陰極恒電流密度，600 s沉積金屬Zn膜，考察和分析了PVP濃度對(duì)Zn膜形貌、結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:PVP的加入，能有效地改變了沉積Zn膜的形貌;在0.005％ PVP條件下，600 s沉

3、積的Zn膜為連續(xù)、完整的條紋形貌。
　　b)保持PVP濃度為0.005％，在其他條件不變的情況下，改變沉積時(shí)間，研究了沉積時(shí)間對(duì)條紋形貌的影響。結(jié)果顯示:60 s沉積得到致密的Zn膜，無(wú)條紋形貌形成;300s左右開(kāi)始出現(xiàn)有序的條紋形貌;600 s沉積的Zn膜條紋垂直基底生長(zhǎng)且不斷加厚;條紋形貌是在致密的Zn膜基礎(chǔ)上逐步形成。
　　c)固定PVP濃度0.005％和沉積時(shí)間600 s，改變鍍液Zn2+濃度及沉積電流密度，發(fā)現(xiàn)Zn

4、2+濃度太低和過(guò)高均不能形成條紋形貌;電流密度太低得到致密的Zn膜，而太高則以擴(kuò)散控制占優(yōu)勢(shì)的方式沉積，易形成樹(shù)枝狀的三維多孔形貌。
　　2.熱氧化條件對(duì)ZnO條紋微/納米針形成的影響
　　a)以0.005％ PVP，恒電流0.03 A·cm-2沉積300 s的條紋Zn膜樣品，在空氣氣氛下，于馬弗爐中經(jīng)150-600℃溫度范圍內(nèi)煅燒，研究了不同煅燒溫度、熱氧化時(shí)間及煅燒方式對(duì)ZnO微/納米針形成的影響。通過(guò)一步熱氧化法，研究

5、表明:Zn膜僅在250℃下熱氧化1h，開(kāi)始有微/納米針的生長(zhǎng);隨著氧化溫度的升高，ZnO微/納米針生長(zhǎng)的密集度先增加后減少，高溫不利于納米針的生長(zhǎng);在低于Zn熔點(diǎn)溫度煅燒，氧化時(shí)間的延長(zhǎng)能促進(jìn)微/納米針的生長(zhǎng)，高于Zn熔點(diǎn)熱氧化，延長(zhǎng)氧化時(shí)間ZnO微/納米針逐漸減少;同時(shí)發(fā)現(xiàn)兩步熱氧化法比一步熱氧化法更有利于氧化膜與基底的結(jié)合力和ZnO微/納米針的生長(zhǎng)。
　　b)分析了Zn膜在熱氧化過(guò)程對(duì)304不銹鋼基底的影響。不同的煅燒溫度，該

6、薄膜材料呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)特征:500℃及以上溫度煅燒可獲得Zn或ZnO與不銹鋼基底Fe、Cr、Ni等元素及氧化物生成ZnFe2O4、 ZnCr2O4等尖晶石類混合氧化物（用AB2O4表示）摻雜的ZnO/AB2O4薄膜。
　　3.微/納米針ZnO薄膜的光催化性能
　　a)在熒光高壓汞燈照射下，測(cè)試了不同ZnO/不銹鋼薄膜材料的光催化降解有機(jī)染料羅丹明B(RhB，3 mg·L-1)的性能。結(jié)果顯示，在60 ml·L-1空氣流量和光